一種用于無線顯示適配器的無線傳輸方案

摘要：根據(jù)無線視頻傳輸?shù)幕�本特點(diǎn),提出了一種用于無線顯示適配器的傳輸方案。在分析了目前成熟的無線技術(shù)的基礎(chǔ)上,選擇無線局域網(wǎng)IEEE802.11G作為傳輸技術(shù)。在此基礎(chǔ)上分析傳輸層的協(xié)議以及 IEEE802.11G的媒體訪問控制層的傳輸特性,并通過實(shí)驗(yàn)確定RTP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,以及確定無線視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)值。

1 引言

隨著移動計(jì)算技術(shù)地不斷發(fā)展，越來越多的人們開始追求辦公方式的移動性和便利性。 無線技術(shù)近年來迅速發(fā)展，已經(jīng)可以提供和有線相近的傳輸速率。無線顯示器將用戶從傳統(tǒng) 的桌面電腦的有限空間中解放出來，個人電腦的功能日益轉(zhuǎn)變成為家庭的數(shù)字多媒體中心， 有著廣闊的市場前景。

無線顯示適配器基于無線視頻傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顯示器與主機(jī)相分離，以無線方式傳輸主 機(jī)顯存數(shù)據(jù)到顯示器。其所傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性要求高的特點(diǎn)。無線環(huán)境 具有帶寬有限、誤碼率較高的特點(diǎn)。為適應(yīng)無線信道的低帶寬,必須使用高效率的壓縮算法 對視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼。視頻壓縮在去除碼流的時間和空間的相關(guān)性的同時,也會對誤碼更加 敏感。無線信道由于信號衰減和多徑、陰影以及多普勒效應(yīng)的存在，傳輸?shù)腻e誤率較高[1]。 因此，無線視頻傳輸技術(shù)的關(guān)鍵就是提出合理的傳輸方案，可以較高的傳輸效率，較低的傳 輸時延和誤碼率傳輸視頻數(shù)據(jù)，為顯示數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定實(shí)時的傳輸。本文主要研究用于無線顯 示器的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)之上提出可行的傳輸方案。

2 無線視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線顯示適配器的無線視頻傳輸系統(tǒng)框圖如圖1。主機(jī)作為服務(wù)器，通過無線模塊接收顯示終端的連接請求，進(jìn)行顯存數(shù)據(jù)的壓縮編碼和數(shù)據(jù)包封裝，并通過無線模塊將數(shù)據(jù) 包發(fā)送出去；顯示端作為客戶端通過無線模塊接收數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)包解析和解碼， 最終在顯示端的屏幕上顯示主機(jī)的顯存數(shù)據(jù)。

3 無線視頻傳輸技術(shù)選擇

3.1 無線技術(shù)選擇

用于傳輸實(shí)時視頻數(shù)據(jù)的無線技術(shù)，首先要求能夠提供足夠的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和相對穩(wěn)定 的傳輸性能。其次，無線技術(shù)應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

以屏幕分辨率為1024×768，24 位真彩色的一般顯示模式為例，分析無線信道需承載的 數(shù)據(jù)量。為保證各種應(yīng)用程序（如KMplayer 視頻播放器等）都可以在顯示端得到流暢穩(wěn)定 的顯示畫面，數(shù)據(jù)速率要求達(dá)到每秒25 幀。原始的顯示數(shù)據(jù)高達(dá)470Mbps�，F(xiàn)有的壓縮算 法的平均壓縮比是30：1，那么無線信道的平均傳輸速率應(yīng)該在15Mbps 以上。

文獻(xiàn)[2]中提到的可用的無線技術(shù)中，IEEE802.11G 的無線局域網(wǎng)速率即可以滿足應(yīng)用的 傳輸速率要求，且相比其它高速率的無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成本和復(fù)雜度較低，更適合無線顯示適 配器的應(yīng)用要求。

IEEE802.11主要定義了無線局域網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它為上層網(wǎng)絡(luò)和傳輸層提供 了應(yīng)用接口，因此TCP/IP協(xié)議同樣適用于無線局域網(wǎng)。這里需要根據(jù)無線顯示器的傳輸要求， 選擇合適傳輸層協(xié)議，如TCP，UDP，RTP等。 IEEE802.11數(shù)據(jù)鏈路層包括兩個子層：邏輯鏈路層和媒質(zhì)訪問控制層（Medium Access CONTROL，MAC）。

IEEE 802．1l的MAC層定義了兩種訪問機(jī)制：分布式協(xié)調(diào)機(jī)制（Distributed Coordination Function，DCF）和點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制（Point Coordination Function，PCF）。雖 然PCF是針對實(shí)時業(yè)務(wù)制定的，但是PCF在當(dāng)前的產(chǎn)品中并未實(shí)現(xiàn)， 因此本文討論的無線傳 輸主要在DCF機(jī)制下。IEEE802.11的MAC層[6]的功能決定了無線傳輸?shù)牟糠痔匦裕�因此無線視 頻傳輸?shù)膮��?shù)設(shè)置要考慮MAC層的特性。下面將詳細(xì)討論。

3.2 無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議選擇

視頻的實(shí)時傳輸要求較低的時延和較小的丟包率。TCP 協(xié)議是一種將擁塞控制與差錯控 制融為一體的端到端傳輸控制協(xié)議，TCP 協(xié)議的重傳機(jī)制會網(wǎng)絡(luò)性能的降低[3]，這種傳輸策 略不能滿足實(shí)時傳輸?shù)囊�求。盡管有學(xué)者在研究這個問題，并提出了一些方法[4]，但是離解 決問題還有很大的距離。

UDP 協(xié)議主要用來支持那些需要在計(jì)算機(jī)之間實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。UDP 本身不能 提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，如果想要UDP 提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，則需要在兩端的程序中加入確認(rèn) 和重傳機(jī)制。與TCP 協(xié)議相比，UDP 協(xié)議無連接，可以隨時傳遞數(shù)據(jù)；包頭很短，只有8 個 字節(jié)，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源；程序結(jié)構(gòu)簡單。此外，UDP 的吞吐量不受阻塞控制算法的調(diào)節(jié)，傳 輸效率高。 RTP（Real-Time Protocol）協(xié)議是專用于實(shí)時多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議[5]。RTP 通常使用UDP 來傳送數(shù)據(jù)，依靠RTCP（Real-time CONTROL Protocol）提供流控制。RTP 數(shù)據(jù)包格式中的序列號和時間戳，在通信雙方進(jìn)行通信的過程中起到了確保數(shù)據(jù)包的正確順 序、判斷是否有數(shù)據(jù)包被拋棄或丟失的功能。

文章后面將以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，比較三者的傳輸性能，并確定本系統(tǒng)應(yīng)使用哪個協(xié)議。 從物理傳播方式上考慮，涉及到無線局域網(wǎng)底層的傳輸特性，因此，在上述分析的基礎(chǔ)上需 要進(jìn)一步分析MAC 層。

3.3 無線視頻傳輸參數(shù)分析

文獻(xiàn)[7]的第2 部分從MAC 層分析了IEEE802．1lB 的可用帶寬。在此基礎(chǔ)上給出了802．1lB 用于承載視頻時的UDP 可用帶寬和視頻碼流數(shù)目N 以及幀率之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]的部分公式和結(jié)論,同樣適用于IEEE802.11G。

理想情況下單個站點(diǎn)的視頻碼流可用帶寬的最大值可以達(dá)到27Mbps，隨著N 取值的增 加，視頻碼流帶寬值逐步減小。為了滿足各客戶端的視頻流的實(shí)時性，公式(1)必須成立：

假定幀率為K 幀/s，每幀數(shù)據(jù)從進(jìn)入緩沖區(qū)到被正確發(fā)送所允許的最大時間間隔為Tp ， Tp取值為=1/K秒，由本系統(tǒng)的應(yīng)用要求，K 取值為25 幀/s。其中Tf為正確發(fā)送一幀視頻數(shù) 據(jù)所用的時間。 IEEE802．11 標(biāo)準(zhǔn)中，MAC 層基本的DCF 工作機(jī)制[9]如下所述。如果在MAC 層檢測到有 一幀數(shù)據(jù)等待發(fā)送，站點(diǎn)首先檢測媒體是否空閑，如果空閑并且空閑的時間超過DIFS（DCF Interval Frame. Space）的時間，則站點(diǎn)可以立即發(fā)送該數(shù)據(jù)。如果檢測到媒體“忙”，那 么站點(diǎn)持續(xù)偵聽，直到媒體再次空閑且空閑的時間大于DIFS 間隔，此時，媒體并不立即發(fā) 送數(shù)據(jù)，而是選擇一個隨機(jī)避讓時間，在該時間結(jié)束后立即發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個分組被正確接 收后，接收端要在SIFS（Short Interval Frame. Space）的時間內(nèi)發(fā)送一個用于確認(rèn)上一 幀數(shù)據(jù)被正確接收的ACK 幀，對接收到的分組進(jìn)行確認(rèn)。所以Tf 的計(jì)算如下：

由公式（4）可得，每幀數(shù)據(jù)發(fā)送所允許的最大時間間隔與視頻碼流數(shù)目N、視頻數(shù)據(jù) 幀的長度有關(guān)。當(dāng)N 值大于所允許的最大值時，會導(dǎo)致視頻幀產(chǎn)生高時延值和視頻數(shù)據(jù)包的 大量丟失，所以介入的客戶端數(shù)目不能超過N 的最大值。

在N 取值一定時，視頻數(shù)據(jù)包的平均長度必須小于一定值，否則會導(dǎo)致時延值過高和數(shù) 據(jù)包的大量丟失�？刂埔曨l數(shù)據(jù)包的長度可以通過更改視頻壓縮編碼的量化系數(shù)QP 或者其 他方法進(jìn)行。進(jìn)而，在幀率一定和平均長度受到限制的前提下，視頻碼流的輸出速率必須小 于一定的值，這就要求在視頻碼流發(fā)送端必須有一定的速率控制機(jī)制。